Файл: Детали из стеклопластика в судовом машиностроении..pdf

ношениями. Эта гипотеза требует дальнейшего статистического иссле­ дования путем сопоставления с экспериментальными данными.

Отсутствие свободного члена в формулах связи соответствует физическому смыслу входящих величин, но, как видно из рис. 50, 51, линейная связь, обнаруженная в конкретных диапазонах варьирова­ ния переменных, часто содержит свободные члены (прямые не про­ ходят через начало координат.) Дальнейшее накопление данных должно помочь уточнить линейность исследуемых связей и постоян-

различных гипотез с экспериментальными данными по усталостной прочности некоторых стеклопластиков. Предел выносливости при симметричном изгибе а_и динамический модуль упругости Е и логарифмический декремент затухания б определялись для направ­ лений, составляющих угол а = 0, 45 и 90° с направлением преиму­ щественного армирования трех эпоксидных стеклопластиков с раз­ личными схемами армирования. На рис. 52 линия регрессии по­ строена по экспериментальным данным.

По оси абсцисс отложена величина расчетного предела вынос­

106

Точки нанесены в соответствии с гипотезой, выражаемой форму­ лой (70), крестики — формулой (71), треугольники — формулой (72). Гипотеза, лежащая в основе формулы (72), обоснована в [18] исходя из феноменологических уравнений вязко-упругой среды.

Расчет параметров А, В и D в этих уравнениях произведен по экс­ периментальным данным методом наименьших квадратов, т. е. из условия минимизации квадратов расхождений между величинами R и а_1. Как видно из рис. 52, предложенные гипотезы не противоречат экспериментальным данным. Наименьший квадрат расхождения по­ лучен при расчете R по формуле (71), что указывает на несколько лучшее соответствие эксперименту в случае использования для не­ разрушающего контроля не только параметров упругих свойств, но и характеристик затухания.

Методы измерения упругих постоянных непосредственно на кон­ струкциях из стеклопластиков разработаны достаточно. хорошо и осуществляются при одностороннем доступе к изделию 118]. Нере­ шенным остается вопрос о методике измерения (с достаточной для практики точностью) коэффициентов затухания ультразвуковых ко­ лебаний на конструкциях из стеклопластика.

Во многих случаях простейшая гипотеза (69) или (70) оказы­ вается достаточно точной и определения характеристик затухания колебаний не требуется.

Простейший однопараметровый метод неразрушающего контроля прочности деталей из стеклопластика состоит в том, что после их дефектоскопии определяются модули упругости материала безде­ фектных (не содержащих расслоений) мест детали. Определение мо­ дуля упругости производится по результатам измерения скорости распространения ультразвукового импульса при одностороннем до­ ступе к изделию методом профилирования, изложенным в [18]. Прочность определяется по уравнению (70) или (69), в которых пред­ варительно определены эмпирические коэффициенты.

Ниже, в § 16 гл. IV, дается подробное описание методики кон­ троля качества деталей судового машиностроения однопараметровым неразрушающим методом. Там же приведен пример оценки прочности одной из деталей судового машиностроения комплексным методом, предложенным в [7] и состоящим в сочетании неразрушающих (по измерению скорости распространения ультразвукового импульса) и разрушающих (по результатам испытания образцов материала, выре­ заемых из припусков к изделию) методов.

На рис. 50 и 51 приведены корреляционные связи модуля упру­ гости Е с пределами прочности стр и g £, определяемыми по резуль­

татам испытания призматических образцов, вырезанных из стекло­

татам испытания готовых изделий.

Проблема неразрушающего контроля эксплуатационной проч­ ности деталей из стеклопластика требует дальнейшей разработки. Ниже рассматриваются примеры практического решения отдельных задач этой проблемы.

107

ГЛАВА IV

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

§ 12

Влияние технологических дефектов на прочность изделий из стеклопластиков

В деталях, изготовленных из стеклопластиков методом горячего прессования, обнаруживается существенное снижение прочности по сравнению с прочностью, определенной на малых образцах мате­ риала. Такое снижение прочности связано прежде всего с влиянием технологических дефектов.

Технологическими можно назвать все дефекты структуры мате­ риала, возникающие в процессе изготовления детали. При расчете и конструировании деталей предполагается обычно, что стеклопла­ стик является однородным материалом, в котором армирующие элементы (например, стеклоткань) ориентированы во всем объеме детали в соответствии с расчетной схемой ортогональной анизотро­ пии. Оптимальным является такое армирование детали, при котором направление наибольшей прочности материала совмещается с траек­ ториями действия главных напряжений. Для деталей, работающих, например, в условиях чистого изгиба в плоскости основы, считается, что прочность обеспечена, если максимальные действующие нормаль­ ные напряжения в k раз меньше расчетных сопротивлений материала, экспериментально определенных по испытанию образцов на растя­ жение или сжатие в направлении наибольшей прочности.

Развивая классификацию, предложенную X. Т. Кортеном [27], можно разделить технологические дефекты стеклопластиков на де­ фекты первого рода, связанные с нарушением расположения арми­ рующих элементов, и дефекты второго рода, обусловленные наруше­ нием сплошности полимерного связующего. Нарушение расчетной схемы анизотропии определяется только дефектами первого рода. При этом возможны два случая: а) смещение оси наибольшей проч­ ности материала х относительно траектории действия главных на­ пряжений, при котором плоскость ткани ху поворачивается вокруг оси г; б) искривление слоев ткани, при котором плоскость ху повора­ чивается вокруг оси у (направления утка ткани).

В работе американской Лаборатории лесных продуктов (Мэди­ сон) экспериментально исследовалось влияние дефектов, возникаю­ щих при горячем прессовании стеклопластиков, на прочность образ­ цов с искусственно созданными в них дефектами первого рода группы «б» в виде складок на поверхности образца [27]. В рабо­ тах [11, 55] теоретически исследовалось влияние начального искрив­ ления слоев на жесткость изделий из однонаправленных стеклопла­ стиков. В деталях сложной формы искривления слоев ткани при прес-

108

Совании почти неизбежны и могут влиять не только на их жесткость, но и на прочность. Если бы детали прессовались из гомогенной пласт­ массы, не армированной и не слоистой, то технологические дефекты первого рода, о которых пойдет речь в дальнейшем, не могли бы возникнуть.

Для исследования технологических дефектов в изделиях приме­ няются различные методы контроля:

а) исследование макроструктуры материала, позволяющее обна­ ружить дефекты первого рода;

Рис. 53. Волнистость и «завиток» ткани.

б) ультразвуковая дефектоскопия, позволяющая обнаружить де­ фекты второго рода;

в) контроль механических свойств стеклопластика в готовой де­ тали неразрушающим методом;

г) оценка несущей способности изделий путем их выборочного разрушающего испытания.

Наиболее опасный технологический дефект первого рода связан с местными искривлениями слоев стеклоткани и их отклонениями от срединной поверхности изделия. Этот дефект можно наблюдать, на­ пример, при изготовлении лопастей гребных винтов из стеклопла­ стиков. Все лопасти изготавливались из стеклопластиков горячего прессования типов СТЭР и СТЭТ. На рис. 53 и 54 представлена макро­ структура материала лопасти гребного винта диаметром 0,75 м: на рис. 53 (срез на расстоянии 15 мм от выходящей кромки) виден крупный дефект, а на рис. 54 (срез по оси) —■искривление слоев в средней (по высоте) части лопасти. Искривления возникают вслед­ ствие смещения слоев материала в процессе прессования изделия сложной геометрической формы, при котором усилие прессования не везде перпендикулярно слоям стеклоткани, а также неточности

109

Набора пакета ткани. В рассматриваемом случае степень искривле­ ния зависит от сложности геометрического перехода пера лопасти в комель. Искривления особенно опасны, если они приводят к вы­ ходу ткани на поверхность лопасти в опасном сечении в результате механической обработки боковых граней комля лопастей в процессе их установки в ступицу гребного винта. Для краткости назовем та­ кой дефект «косослоем», по аналогии с соответствующим пороком древесины.

На рис. 53 и 54 показано, что косослой, при котором ткань выходит под углом около 15° на засасывающую поверхность в опасной точке корневого сечения, привел к появлению трещин по слоям связую­ щего и к преждевременному разрушению лопасти.

Как видно из рис. 55, а, в средней части лопасти гребного винта диаметром 1,1 м имеются регулярные искривления слоев. Макси­ мальная степень искривления имеет место в утолщенной комлевой части лопасти (рис. 55, б). В сжатой зоне опасного сечения наблю­ дается качественная параллельная структура. В комлевой части лопасти вблизи торца ткань выходит под углом 35° к засасывающей поверхности (рис. 55, а, точка Г, 55° к торцу) и под углом 55° вблизи торца к нагнетающей (точка /, 35° к торцу). В средней части комля

лопасти угол выхода ткани на торцевую поверхность соста­ вляет 15°.

Трещина при стендовых испытаниях начинается в точках 1 я Г (рис. 55, а) выхода ткани на поверхность и распространяется вдоль изогнутых слоев ткани. С целью объяснения причины появления трещины определим контактные напряжения в заделке комля лопасти винта диаметром 1,1 м.

110